何江飛，柳振海，湯旅軍，余璐慶，黃建武

(中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310012)

隨著國家對能源、電力的需求增加，對海上風(fēng)電的開發(fā)速度在不斷加快，近年來在我國海域新建的海上風(fēng)電項目與日俱增，而作為海上風(fēng)電的重要基礎(chǔ)形式的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜的海洋環(huán)境中(特別是在深水海域)應(yīng)用非常廣泛。當海況比較惡劣時，船舶過往或?？繒r容易和導(dǎo)管架基礎(chǔ)發(fā)生碰撞，為防止這種情況的出現(xiàn)，通常在靠船側(cè)安裝靠船件以起到保護導(dǎo)管架的作用。

海上風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)的靠泊防撞系統(tǒng)，主要目標是針對運維船只及可能出現(xiàn)的小型漁船的正常停靠，并校核小型船只的非正常?？浚缫馔馀鲎驳裙r。在本工程的初步設(shè)計階段，本文的計算考慮了正常?？坎醇耙馔馀鲎矁煞N工況下，靠船構(gòu)件局部強度和剛度是否滿足設(shè)計要求，通過實際工程算例，為海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)靠船件的設(shè)計和計算提供了一定的參考資料。

1 靠船構(gòu)件方案設(shè)計

1.1 項目背景

福建平潭某300 MW海上風(fēng)電場項目位于福建平潭某島東北側(cè)，根據(jù)波浪水文專題報告，按照國家85高程基準，平均水位面為+0.33 m，設(shè)計高潮位為+3.30 m，設(shè)計低潮位為－2.94 m，極端高潮位為+4.61 m(50 a一遇)，極端低潮位為－4.08 m(50 a一遇)。項目區(qū)域范圍內(nèi)的最大水深約為30.0 m。

1.2 靠船構(gòu)件的結(jié)構(gòu)型式

現(xiàn)根據(jù)行業(yè)規(guī)范及相關(guān)數(shù)據(jù)，船舶作業(yè)最大允許有效波高為2 m，歐洲主流的海上風(fēng)電運維船吃水在1.6 m左右，則有：

靠船構(gòu)件上標高：最高天文潮(▽+4.61 m) +2.0 m波高+安裝誤差+0.8 m(干舷)

靠船構(gòu)件下標高：最低天文潮(▽－4.08 m)－2.0 m波高－安裝誤差－船的吃水深度(1.6 m)

靠船件立柱底部為▽－7.7 m，頂部為▽+7.5 m。

經(jīng)過上述計算，初步擬定靠船構(gòu)件底標高為－7.70 m，頂標高為+7.50 m。兩根靠船立柱的間距為1.80 m，直徑為406 mm，壁厚為30 mm?？看捞萏げ降拈L度為500 mm，且采用25 mm的方形鋼管。踏步間距取為250 mm，即4個步階為1 m。爬梯的立柱直徑為114 mm，壁厚為10 mm。導(dǎo)管架靠船構(gòu)件方案立面見圖1，靠船件的三維模型見圖2。

2 靠船件船舶撞擊力的計算

2.1 參數(shù)選取

由于船舶尺寸及船型未定，本工程防撞系統(tǒng)設(shè)計為安全考慮，根據(jù)DNV-OS-J101-2014中4.4.3節(jié)規(guī)定，正常碰撞工況下，按200 t級船舶以0.5 m/s速度撞擊靠船件；意外碰撞工況下，按200 t級船舶以2.0 m/s速度撞擊靠船件。為保證風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運行需要，基礎(chǔ)設(shè)計時考慮直接由靠船件立柱結(jié)構(gòu)承受靠船的撞擊荷載。

圖1 導(dǎo)管架靠船件方案設(shè)計圖

圖2 導(dǎo)管架靠船構(gòu)件三維模型圖

2.2 計算依據(jù)

2.2.1 船舶撞擊時的能量

船舶靠泊能量、碰撞力與船舶停靠速度及船舶滿載排水量有關(guān)，本文計算時，假定船舶撞擊時的能量全部被靠船柱所吸收，忽略船舶橡膠護舷的變形等其他部分的能量消耗，主要原因是本工程導(dǎo)管架靠船件上并未安裝橡膠護舷裝置。根據(jù)API RP 2A WSD-2014 B 17.9章節(jié)內(nèi)容，船舶撞擊時的總能量(E)：

式中：E為船舶碰撞時的能量，(kJ)；a為附加質(zhì)量系數(shù)，舷側(cè)碰撞時a=1.4，首/尾碰撞時a=1.1；m為船舶質(zhì)量，(t)，按設(shè)計船型滿載排水量計算；ν為船舶碰撞時的速度，(m/s)。

2.2.2 靠船柱形成凹坑時吸收的能量

根據(jù)API RP 2A WSD-2014 B 17.9章節(jié)內(nèi)容，船撞擊靠船柱導(dǎo)致鋼管表面出現(xiàn)凹坑，撞擊荷載與凹坑間的關(guān)系如下：

式中：Pd為碰撞荷載，(N)；Mp為塑性受彎承載力，等于為屈服強度，(MPa)；D為鋼管直徑，(m)；R為鋼管半徑，(m)；t為鋼管壁厚，(m)；X為鋼管凹痕深度，(m)?？看纬砂伎訒r吸收的能量(Ed)如下：

2.2.3 靠船柱整體變形所吸收的能量

在Midas-gen計算模型中給靠船柱施加由小到大一系列載荷，由此得到不同撞擊載荷下靠船柱撞擊點的最大位移，由此可近似擬合出撞擊載荷P與位移S的曲線，曲線下方對應(yīng)的陰影部分的面積即為靠船柱整體變形所吸收的能量E0。

2.2.4 撞擊載荷的確定

計算假定，船舶撞擊時的能量全部被靠船柱所吸收，忽略其他部分的能量損失。由能量守恒定律，船舶撞擊時的動能，靠船柱的變形能以及局部凹陷吸收的能量三者之間需滿足以下關(guān)系：

只須通過試算，計算出一系列的碰撞載荷所對應(yīng)的靠船柱的變形能以及局部凹陷吸收的能量，當其滿足上式時所對應(yīng)的載荷即為碰撞所產(chǎn)生的撞擊力。

2.3 計算方法

2.3.1 船舶撞擊時的能量

根據(jù)3.2節(jié)所提到的計算方法，分別計算滿載排水量200 t船舶以不同速度側(cè)靠、頂靠靠船件時產(chǎn)生的能量，見表1。

表1 不同撞擊方式下船舶的動能計算

由上表可知，取靠泊方式為側(cè)靠，正常靠泊時，速度為0.5 m/s，靠泊時的總動能為35 kJ；意外撞擊時，速度為2 m/s時，靠泊時的總動能為560 kJ。

2.3.2 靠船柱變形及凹坑吸收的能量

側(cè)靠方式下，計算時對設(shè)定的碰撞載荷F0撞擊靠船件時，均勻分布于兩根靠船柱上，每個靠船柱上載荷F=F0/2。由于是對稱結(jié)構(gòu)，每個靠船柱變形基本相同，總的能量為單個靠船柱變形的2倍。由于實際中需考慮不同水位條件下船舶撞擊點位置的變化，本文為了簡化計算，現(xiàn)針對極端低潮位、設(shè)計低潮位、平均水位面、設(shè)計高潮位及極端高潮位這5種特征水位面進行初步校核。

當水位處于極端低潮位時：

采用Midas-gen建立導(dǎo)管架整體梁單元模型，分別施加不同的集中力，經(jīng)過曲線擬合，極端低潮位時單個靠船柱上所受載荷F與其位移S之間的關(guān)系為：F=44.44S，見圖3、圖4。

圖3 極端低潮位靠泊時靠船件荷載位移曲線

圖4 極端低潮位靠泊時靠船件位移等值線圖

對設(shè)定的不同碰撞載荷F0撞擊靠船件，極端低潮位時靠船柱及凹坑吸收的總能量見表2，其中凹痕和Ed的數(shù)值可依據(jù)公式(2)和(3)計算得到。由表2可知，極端低潮位時正常靠泊的船舶的總動能為35 kJ，用線性插值的方法可求得，其對應(yīng)的撞擊力為2147 kN，意外撞擊的船舶的總動能為560 kJ，其對應(yīng)的撞擊力為6924 kN。

表2 極端低潮位時不同撞擊載荷對應(yīng)的變形能

同理，在設(shè)計低潮位、平均水位面、設(shè)計高潮位和極端高潮位情況下，船舶對導(dǎo)管架靠船件產(chǎn)生的撞擊力采用相同的方法計算，此處不再贅述。

2.4 計算結(jié)論

現(xiàn)取極端低潮位、設(shè)計低潮位、平均水位面、設(shè)計高潮位、極端高潮位為特征水位，并分別計算正常工況及意外碰撞工況下靠船件的受力情況，將船舶在不同潮位情況下側(cè)靠撞擊靠船件時的受力情況列入表3中。

根據(jù)表3不同潮位下船舶對靠船件的撞擊力的計算結(jié)果可知，船舶在設(shè)計高潮位時，以側(cè)靠方式撞擊時，對導(dǎo)管架的靠船件產(chǎn)生的撞擊力最大。正常靠泊時撞擊力為2223 kN，意外撞擊時撞擊力為7061 kN。

表3 不同潮位下船舶對靠船件的撞擊力

3 靠船件強度和剛度校核

3.1 計算參數(shù)

船舶碰撞區(qū)域與船舶尺寸、船舶吃水、水位變動及作業(yè)允許最大浪高有關(guān)，根據(jù)德國勞氏船級社GL-2012規(guī)范4.4.2.7規(guī)定，進行局部強度計算時，本文假設(shè)立柱垂直高度1 m范圍內(nèi)為碰撞區(qū)域。載荷施加在各特征水位處，1000 mm×200 mm的區(qū)域內(nèi)。固定約束導(dǎo)管架腿柱上、下表面?？看捎肈H36鋼材，密度為7850 kg/m3，彈性模量為2.06×106MPa，泊松比為 0.3，抗拉和抗壓屈服強度為355 MPa，極限抗拉強度為460 MPa。

3.2 正常靠泊工況

根據(jù)表3的計算數(shù)據(jù)，可知設(shè)計高潮位時，正?？坎磿r撞擊載荷為2223 kN，每個靠船柱載荷為1112 kN。經(jīng)過初步計算對比發(fā)現(xiàn)，0.5 m/s速度碰撞的情況下且處于設(shè)計高潮位時靠船柱應(yīng)力最大，ANSYS有限元三維模型計算結(jié)果見圖5～圖7。正常工況下處于設(shè)計高潮位時，船只以0.5 m/s速度靠泊時，靠船件的最大位移約為1.95 cm，滿足規(guī)范要求?？看献畲蟮刃?yīng)力值約為178.1 MPa，小于DH36鋼材的屈服強度355 MPa，滿足設(shè)計要求。正?？坎磿r靠船件與主腿相交處，由于應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，靠船柱處局部最大應(yīng)力為352 MPa，其他區(qū)域均滿足要求。

圖6 正?？坎磿r靠船件的應(yīng)力等值線圖

圖7 正常靠泊時靠船件與主腿相交處應(yīng)力等值線圖

3.3 意外撞擊工況

根據(jù)表3的工況組合，經(jīng)過初步計算對比發(fā)現(xiàn)，船只2 m/s速度意外碰撞的情況下且處于設(shè)計高潮位時靠船柱應(yīng)力最大，ANSYS有限元三維模型計算結(jié)果見圖8～圖10，意外工況下處于高潮位時，船只以2.0 m/s速度撞擊時，靠船件的最大位移約為5.8 cm，不滿足設(shè)計要求?？看献畲蟮刃?yīng)力值約為565 MPa，大于DH36鋼材的屈服強度355 MPa，不滿足設(shè)計要求。意外撞擊時靠船件與主腿相交處，由于應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，靠船柱處局部最大應(yīng)力為1060 MPa，則在意外工況下，靠船件強度和剛度不能滿足要求，會發(fā)生破壞。

圖8 意外撞擊時靠船件的位移等值線圖

圖9 意外撞擊時靠船件應(yīng)力等值線圖

圖10 意外撞擊時靠船件與主腿相交處應(yīng)力等值線圖

4 結(jié)語

4.1 結(jié)論

本文計算前提為：船舶靠泊或撞擊時其動能全部被靠船件所吸收，忽略船舶橡膠護舷的變形等其他部分的能量消耗?？看Ｐ驮谠O(shè)計低潮位及設(shè)計高潮位區(qū)域剛度相對較小，可以允許有較大變形，吸能較好，對于正常工況(0.5 m/s)下，200t的船舶正常靠泊時，靠船柱強度和剛度滿足規(guī)范要求；但當速度為2 m/s時意外撞擊時，靠船件的強度和剛度不滿足規(guī)范要求。

4.2 展望

船舶撞擊靠船柱的沖擊力很大，為了進一步確保船舶的安全?？?，建議增加緩沖橡膠，減小沖擊力，延長使用壽命，同時進一步考慮防撞系統(tǒng)的可更替性。本文僅校核靠船件強度，未考慮樁腿及其它部件的承載力情況。本計算僅考慮船舶撞擊靠船件的受力情況，未考慮船舶意外撞擊導(dǎo)管架樁腿或斜撐等工況，在后續(xù)工作中可做進一步的探討。

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